KR101003177B1 - Preparation of organic coated inorganic nanoparticles using block-copolymers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무기나노입자 표면에 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 블록공중합체를 반응을 통해 화학결합시키고, 고분자층을 형성한 불완전한 무기나노입자-고분자 복합체에 대하여 아민으로 처리하여 블록공중합체에 비닐벤질암모늄염을 갖는 블록을 형성시켜 내부층을 이루고, 폴리스티렌 블록이 외부층을 이루도록 표면처리된 무기나노입자-고분자복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention chemically bonds a poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) block copolymer to the surface of an inorganic nanoparticle through a reaction, and treats the block copolymer by treating the incomplete inorganic nanoparticle-polymer composite having a polymer layer with an amine. The present invention relates to a method for preparing an inorganic nanoparticle-polymer composite having a block having a vinylbenzyl ammonium salt formed therein to form an inner layer and a surface treated such that a polystyrene block forms an outer layer.

무기나노입자, 블록공중합체, 분산, 나노 복합체, 코팅 Inorganic nanoparticles, block copolymer, dispersion, nanocomposite, coating

Description

블록공중합체를 이용하여 유기고분자가 코팅된 무기나노입자의 제조방법{Preparation of organic coated inorganic nanoparticles using block-copolymers}Preparation method of inorganic nanoparticles coated with organic polymer using block copolymers {Preparation of organic coated inorganic nanoparticles using block-copolymers}

본 발명은 블록공중합체를 코팅물질로 하여 무기나노입자의 표면에 화학결합, 극성 및 정전기적 특성의 변화를 일으키는 과정을 통해, 각종 용매와 건조 조건에서 안정하게 유지되면서, 수 나노미터 수준의 일정한 두께를 갖고 코팅 밀도가 조밀한 유기고분자 코팅층이 형성된 무기나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. In the present invention, the block copolymer is used as a coating material, and the chemical bonding, polarity, and electrostatic properties are changed on the surface of the inorganic nanoparticles. The present invention relates to a method for preparing inorganic nanoparticles having an organic polymer coating layer having a thick and dense coating density.

일반적으로 무기나노입자의 유기표면처리는 다양한 목적과 형태로 수행되어진다. 무기나노입자를 비극성 유기층으로 처리한 경우, 입자의 비극성 매질에 대한 분산성이 증가해 균질 분산 용액으로 처리가 가능해진다. 이러한 기능은 특히 분산 매질이 고분자인 경우 고분자-무기입자 나노복합체를 형성하게 되어 고분자 물성 향상에 매우 중요하게 작용하며, 고강도 구조재, 고차단성 필름, 각종 기능성 필름등 다양한 소재 적용에 응용된다. 또한 외부 환경요인으로부터 입 자의 화학적 물리적 변성을 최소화 시켜주는 역할이 있으며, 표면 부착 성분에 따라 입자 자체의 물리적 성질을 변화시킬 수도 있다. 이러한 작용을 나타내는 무기입자의 유기표면 처리로서 단분자 물질들의 작용기를 이용하여 화학적 결합으로 표면에 부착하는 방법, 단분자 물질들의 작용기를 이용하여 정전기적 상호작용 등의 물리적 흡착에 의한 부착 방법, 고분자 물질들의 엉김이 입자 표면에 형성되어 코팅되는 방법, 고분자 사슬의 작용기가 입자표면과 화학적 결합을 이루거나 정전기적 상호작용으로 물리적 흡착에 의한 코팅방법 등이 있다. In general, organic surface treatment of inorganic nanoparticles is performed for various purposes and forms. In the case where the inorganic nanoparticles are treated with the nonpolar organic layer, the dispersibility of the particles in the nonpolar medium is increased to enable the treatment with the homogeneous dispersion solution. This function forms a polymer-inorganic particle nanocomposite especially when the dispersion medium is a polymer, and plays a very important role in improving polymer properties, and is applied to various materials such as high strength structural materials, high barrier films, and various functional films. In addition, it plays a role of minimizing the chemical and physical denaturation of the particles from external environmental factors, and may change the physical properties of the particles themselves according to the surface adhesion component. The organic surface treatment of inorganic particles exhibiting such action is a method of attaching to the surface by chemical bonding using functional groups of monomolecular substances, an attachment method by physical adsorption such as electrostatic interaction using functional groups of monomolecular substances, polymer The entanglement of the materials is formed on the surface of the particle and coated, the functional group of the polymer chain forms a chemical bond with the surface of the particle, or the coating method by physical adsorption by electrostatic interaction.

이와 같은 무기입자의 표면처리 방법에 따라서 나타나는 코팅의 양상과 성질이 차이를 보이게 된다. 일반적으로 단분자 물질을 이용한 표면처리는 하나의 분자층으로 이루어지는 유기표면층을 형성하여 두께가 수 Å수준에서 1~2 나노미터 정도가 된다. 이 경우 표면 두께의 증가나 유기 표면층의 안정성을 증가시키기는 어렵다고 할 수 있다. 고분자 물질로 표면을 코팅하는 경우 정전기적 상호 작용에 의한 부착은 단순한 공정으로 비교적 균일한 두께의 코팅층을 이룰 수 있게 되나 용매나 고분자 매트릭스 등의 외부 환경변화에 따라 쉽게 제거와 이탈이 나타날 수 있다. 단순히 고분자 사슬들이 입자 표면에 엉겨있는 형태의 코팅은 균일한 두께의 안정한 코팅층을 얻기 어렵다고 할 수 있다. According to the surface treatment method of the inorganic particles, the appearance and properties of the coating appear to be different. In general, surface treatment using a monomolecular material forms an organic surface layer composed of one molecular layer, and the thickness thereof is about 1 to 2 nanometers at a few millimeters. In this case, it can be said that it is difficult to increase the surface thickness or increase the stability of the organic surface layer. In the case of coating the surface with a polymer material, the adhesion by the electrostatic interaction can form a coating layer having a relatively uniform thickness by a simple process, but may be easily removed and detached due to the external environment change such as the solvent or the polymer matrix. The coating in which the polymer chains are simply entangled on the particle surface is difficult to obtain a stable coating layer of uniform thickness.

본 발명은 유기고분자가 코팅된 무기나노입자를 제조하는 방법에 있어서, 외부 용매 및 매질의 변화에도 안정하고, 코팅층의 두께가 균일하면서도 수 나노미터 수준으로 충분히 유기표면특성을 나타낼 수 있도록 하며, 유기매질에서 높은 분산성을 보여 고분자-무기입자 나노복합체로 응용하기에 충분할 수 있도록 하고자 한다. The present invention provides a method for producing inorganic nanoparticles coated with organic polymer, stable to changes in external solvents and media, uniform thickness of the coating layer and to exhibit sufficient organic surface properties at the level of several nanometers, The high dispersibility in the medium is intended to be sufficient for application to polymer-inorganic nanocomposites.

본 발명은,The present invention,

무기나노입자 표면을 블록공중합체인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)와 반응시키는 1단계; 및 Reacting the surface of the inorganic nanoparticles with poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) which is a block copolymer; And

상기 1단계 반응물에 아민을 첨가하여, 무기나노입자 표면에 비닐벤질암모늄염 블록과 폴리스티렌 블록의 이중층을 형성하는 2단계The second step of forming a double layer of a vinyl benzyl ammonium salt block and a polystyrene block on the surface of the inorganic nanoparticles by adding an amine to the first step reactant

를 포함하는 유기고분자가 코팅된 무기나노입자의 제조방법에 그 특징이 있다.There is a feature in the method for producing an inorganic nanoparticles coated with an organic polymer comprising a.

본 발명에서 제시하는 방법을 통해서 제조되는 유기코팅 무기나노입자는 2단계 반응을 걸쳐 형성되는 블록공중합체 코팅층을 가지며 이 코팅층은 정전기적 작 용과 극성 상호작용으로 표면에 강하게 부착되는 내부층과, 고분자 사슬들이 자유롭게 비극성 유기용매 혹은 매질과 상호작용하는 비극성 고분자층을 외층으로 갖는 이중층 구조로 되어 무기입자를 비극성 용매 혹은 고분자 매트릭스에 효과적으로 분산시킬 수 있다. 또한 이 코팅층은 2단계 과정을 통하는 방법으로 형성되어 그 형성 밀도가 벌크 폴리스티렌과 동일한 수준으로서, 표면 처리로 얻을 수 있는 최고 밀도의 유기 코팅층이라 할 수 있으며 저밀도로 듬성듬성 표면에 유기물질이 부착된 여타의 표면처리 방식에서는 얻기 어려운 높은 차단성과 안정성을 보인다. 그 결과로 건조 후에도 표면 유기층은 그 두께를 유지하며 안정하게 형성되어 있으며, 유기용매로 입자를 반복 세척하여도 그 유기코팅층은 변화하지 않고 안정하게 유지된다. 본 발명에서 제시한 방법으로 형성되는 유기코팅층은 3 ~ 7 nm 의 두께를 보여 매질이 없는 상태에서도 무기입자들을 서로 부착시켜주는 바인더로서의 역할을 충분히 하는 코팅두께를 나타내면서도 코팅 과정상에서 입자끼리의 뭉침 현상이 나타나지 않는다. 상기와 같은 특성을 보이는 본 발명에서 제시한 유기고분자가 코팅된 무기나노입자의 제조방법은 고분자 물성 향상 나노 분산물질과 용액공정으로 제조 되는 각종 박막과 필름의 무기첨가제용 무기입자로서 그 활용성이 기대된다.The organic coating inorganic nanoparticles prepared by the method proposed in the present invention has a block copolymer coating layer formed through a two-step reaction, and the coating layer has an inner layer strongly attached to the surface by electrostatic action and polar interaction, and a polymer. Since the chains have a double layer structure having a nonpolar polymer layer interacting freely with a nonpolar organic solvent or a medium as an outer layer, inorganic particles can be effectively dispersed in a nonpolar solvent or a polymer matrix. In addition, this coating layer is formed by a two-step process, and its formation density is the same as that of bulk polystyrene, which is the highest density organic coating layer that can be obtained by surface treatment, and the organic material is attached to the sparse surface at low density. It has high barrier properties and stability which is difficult to obtain in other surface treatment methods. As a result, the surface organic layer is stably formed even after drying, and the organic coating layer is stably maintained even after repeated washing of the particles with an organic solvent. The organic coating layer formed by the method proposed in the present invention exhibits a thickness of 3 to 7 nm and exhibits a coating thickness sufficient to serve as a binder for attaching inorganic particles to each other even in the absence of a medium, but agglomeration of particles in the coating process. The phenomenon does not appear. The method for preparing inorganic nanoparticles coated with organic polymers presented in the present invention exhibiting the above characteristics is useful as inorganic particles for inorganic additives of various thin films and films prepared by improving polymer properties and nanodispersion materials and solution processes. It is expected.

본 발명은 무기나노입자 표면에 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 블록공중합체를 반응을 통해 화학결합시키고, 고분자층을 형성한 불완전한 무기나노입자- 고분자 복합체에 대하여 아민으로 처리하여 블록공중합체에 비닐벤질암모늄염을 갖는 블록을 형성시켜 내부층을 이루고, 폴리스티렌 블록이 외부층을 이루도록 표면처리된 무기나노입자-고분자복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention chemically bonds a poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) block copolymer to the surface of an inorganic nanoparticle through a reaction, and treats the block copolymer by treating the incomplete inorganic nanoparticle-polymer composite having a polymer layer with an amine. The present invention relates to a method for preparing an inorganic nanoparticle-polymer composite having a block having a vinylbenzyl ammonium salt formed therein to form an inner layer and a surface treated such that a polystyrene block forms an outer layer.

본 발명에서 사용하는 블록공중합체의 두 블록 부분은 무기나노입자의 표면 코팅시 각각의 기능을 담당하게 된다. 한 블록 부분은 용매 혹은 고분자 매트릭스와 비극성 상호작용 등을 통해 분산이 잘 일어나고 유지될 수 있는 역할과 코팅 제일 바깥쪽의 유기층을 이루는 역할을 한다. 다른 한 부분은 할로겐화 알킬과 같은 기능기를 포함하고 있어서 메탈 옥시 음이온과 같은 무기입자 표면의 반응성기들과 화학결합을 이루는 역할을 한다. 또한 아민과의 반응에서 암모늄염을 형성하여 비극성에서 극성 블록으로 성질이 변하면서 무기나노입자 표면과는 정전기적 상호작용 및 극성 상호작용을 통해 코팅의 내부층을 구성하는 역할을 한다.The two block portions of the block copolymer used in the present invention are responsible for their respective functions during surface coating of the inorganic nanoparticles. One block part serves to maintain and maintain dispersion through nonpolar interaction with a solvent or polymer matrix, and forms an outermost organic layer of the coating. The other part contains functional groups such as alkyl halides to chemically bond with reactive groups on the surface of inorganic particles such as metal oxy anions. In addition, it forms an ammonium salt in the reaction with the amine, changing its properties from nonpolar to polar blocks, and serves as an inner layer of the coating through electrostatic and polar interactions with the surface of the inorganic nanoparticles.

유기 코팅층 형성을 2단계로 나누어 진행하는 것은 각 단계별 과정이 최종적으로 안정하고 수 나노미터 두께를 갖는 고밀도 유기코팅층 형성에 중요하게 작용하기 때문이다. 1단계의 블록공중합체와 무기나노입자 표면간에 화학결합이 형성되는 단계에서는 우선 단일층으로 블록공중합체가 표면에 부착되는데 이 경우 표면의 반응성기의 밀도가 높지 않기 때문에 높은 밀도로 블록공중합체를 부착시키기 어려우며 안정하고 완전한 코팅을 이루기 어렵다. 이 상태에서 용액에 있는 블록공중합체 고분자 사슬들은 1차로 형성된 표면층위에 불안정한 2차 층을 형성하게 된다. 그러나 이들은 쉽게 용액에 의해 씻겨나가거나 코어 무기나노입자와 상관없이 자기들끼리 뭉치는 현상을 나타낸다. 이러한 입자 표면 상태에서 아민 화합물을 가해주는 2단계 처리를 하면 불안정하게 둘러싸인 블록공중합체 층은 암모늄염 형성 블록과 비극성 블록 두 부분이 임시로 형성된 입자 표면에서 자기조립작용을 통해 안정한 이중 유기 코팅층으로 변화하게 된다. 이러한 변화에서 유기층의 밀도는 벌크 고분자 수준으로 높아지고 3 ~ 7 nm 수준의 균일한 두께를 보이게 된다. The process of dividing the organic coating layer into two stages is because each step process is important to form a high density organic coating layer which is finally stable and has a thickness of several nanometers. In the step where the chemical bond is formed between the block copolymer and the inorganic nanoparticle surface in the first step, the block copolymer is first attached to the surface as a single layer. In this case, the block copolymer has a high density because the surface reactive groups are not high in density. It is difficult to attach and difficult to achieve stable and complete coating. In this state, the block copolymer polymer chains in the solution form an unstable secondary layer on the primary surface layer. However, they can easily be washed away by solution or aggregated together regardless of the core inorganic nanoparticles. In this two-step process of applying the amine compound in the surface state of the particles, the unstable block copolymer layer is transformed into a stable double organic coating layer through self-assembly at the surface of the particles in which two portions of the ammonium salt forming block and the nonpolar block are temporarily formed. do. In this change, the density of the organic layer is increased to the bulk polymer level and shows a uniform thickness of 3 to 7 nm.

이하, 본 발명에 따른 블록공중합체를 이용하여 유기고분자가 코팅된 무기나노입자의 제조방법에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing the inorganic nanoparticles coated with the organic polymer using the block copolymer according to the present invention will be described in detail.

먼저, 무기나노입자 표면을 UV-오존 처리하여 하이드록시기를 형성시킨 후 강염기와 무수조건에서 반응시켜 메탈 옥시 음이온을 형성한다. 사용되는 무기나노입자는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물이고 입자 크기는 3 ~ 200 nm 범위의 것을 사용한다. First, the surface of the inorganic nanoparticles is treated with UV-ozone to form a hydroxyl group, and then reacted with a strong base with anhydrous conditions to form a metal oxy anion. Inorganic nanoparticles to be used are compounds represented by the following formula (1) and the particle size is used in the range of 3 ~ 200 nm.

MmLnOl M m L n O l

상기 화학식 1에서, M은 주기율표 1A ~ 4A 원소 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 전형 금속이고, L은 전이금속 및 란타나이드 금속 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이며, m은 0 ~ 4의 정수, n은 0 ~ 4의 정수이며 l은 1 ~ 8의 정수를 나타내고, 단 m과 n은 동시에 0이 되지 아니한다. In Formula 1, M is one or two or more typical metals selected from elements 1A to 4A of the periodic table, L is one or two or more metal elements selected from transition metals and lanthanide metals, and m is 0 to 4 An integer, n is an integer from 0 to 4, l represents an integer from 1 to 8, provided that m and n are not 0 at the same time.

상기 무기나노입자로는 BaTiO3 , TiO2, SiO2, Al2O3, V2O3, ZnO2, La2O3, HfO2, SrTiO3, SrTiO3 , Nb2O5 , 등을 예로 들 수 있다. Examples of the inorganic nanoparticles include BaTiO 3 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , V 2 O 3 , ZnO 2 , La 2 O 3 , HfO 2 , SrTiO 3, SrTiO 3 , Nb 2 O 5 , and the like. Can be mentioned.

상기 무기나노입자의 표면과 반응하는 강염기로는 LiH, NaH, KH, CaH2, 탄소수 1 ~ 10 사이의 알킬리튬을 사용할 수 있다. 강염기와의 반응은 무기나노입자를 무수 비양성자성 유기용매에 분산하여 질소 혹은 아르곤 환경하에서 상온조건으로 이루어진다. 반응 후 표면에 옥시 음이온이 형성된 입자들과 블록공중합체를 유기용매에서 반응시킨다. 블록공중합체는 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)를 사용한다. 이 때 스티렌 블록과 비닐벤질클로라이드 블록의 분자량이 각각 2000 ~ 50000 사이에 있는 것으로 하며, 스티렌에 대한 비닐벤질클로라이드의 몰 수 비가 0.1 ~ 80% 범위에 있는 것으로 한다. 상기 비율이 80%를 초과하는 경우 최종 형성되는 고분자층에서 비극성 부분의 비율이 작아져 비극성 매질에서의 분산성이 감소하는 문제가 있다. 반응에 사용하는 유기용매는 무수 비양성자성 용매로서 블록공중합체를 완전히 균질하게 녹일 수 있는 것으로 하되 강염기에 반응할 수 있는 에스테르류와 알킬할라이드류는 사용하지 않는다. 따라서 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 디페닐에테르 등을 사용한다. 반응 후 무기입자 주변에 형성된 블록공중합체 층은 불완전한 것으로 표면에 화학적 결합으로 부착된 것과 2차적으로 그 위에 둘러싸고 있는 층으로 구성된다. 이 블록공중합체 층은 중량비로 무기나노입자 대비 50% 까지 형성될 수 있으나 세척에 따라 점차 함량비가 줄어 1%까지 감소하게 된다. 이 세척단계에서는 표면에 잔류하는 블록공중합체층의 함량을 10 ~ 50 중량% 범위로 조절한다. 10 중량% 이하는 다음 단계의 유기층 형성에서 유기층을 형성할 고분자 함량이 부족하게 되고, 50중량% 이상인 경우에서는 입자 표면을 둘러싸지 않고 입자와 상관없이 따로 형성되는 고분자 입자의 뭉침을 증가시키게 된다. LiH, NaH, KH, CaH 2 , alkyl lithium having 1 to 10 carbon atoms may be used as the strong base that reacts with the surface of the inorganic nanoparticles. The reaction with the strong base is carried out at room temperature under nitrogen or argon by dispersing the inorganic nanoparticles in anhydrous aprotic organic solvent. After the reaction, the particles having the oxy anion formed on the surface and the block copolymer are reacted in an organic solvent. The block copolymer uses poly (styrene- b -vinylbenzylchloride). In this case, the molecular weight of the styrene block and the vinyl benzyl chloride block is between 2000 and 50000, respectively, and the mole ratio of vinyl benzyl chloride to styrene is in the range of 0.1 to 80%. If the ratio exceeds 80%, the ratio of the non-polar part in the polymer layer to be finally formed is reduced, so that the dispersibility in the non-polar medium is reduced. The organic solvent used in the reaction is an anhydrous aprotic solvent which can completely dissolve the block copolymer homogeneously, but esters and alkyl halides which can react with strong bases are not used. Therefore, tetrahydrofuran, toluene, diphenyl ether and the like are used. The block copolymer layer formed around the inorganic particles after the reaction is incomplete and consists of a chemical bond attached to the surface and a layer enclosed thereon secondarily. The block copolymer layer may be formed in a weight ratio of up to 50% of inorganic nanoparticles, but gradually decreases to 1% in content ratio with washing. In this washing step, the content of the block copolymer layer remaining on the surface is adjusted to 10 to 50% by weight. Less than 10% by weight is insufficient in the polymer content to form the organic layer in the formation of the organic layer of the next step, in the case of 50% by weight or more to increase the aggregation of the polymer particles are formed separately regardless of the particle surface.

다음, 유기층이 형성된 입자를 아민과 용액에서 반응시킨다. 사용되는 아민은 1차, 2차, 3차의 알킬 아민으로 알킬기의 크기는 탄소수 1 ~ 20 까지 사용할 수 있다. 이 반응단계에서는 비닐벤질클로라이드 블록의 메틸클로라이드기들이 아민과 반응하여 암모늄염을 형성하게 된다. 블록공중합체들이 입자의 표면을 둘러싸고 있는 상태에서 암모늄염이 생성되는 블록 부분은 무기나노입자 표면과 상호작용하면서 내부층을 형성하고 그 위에 스티렌 비극성 블록이 형성되게 된다. 이러한 유기층 형성이 완료되면, 세척 및 건조 후에도 안정하게 형성되어 있고, 3 ~ 7 nm 두께로 균일하게 코팅되어 있는 고분자 유기층을 투과전자현미경으로 직접 관찰할 수 있다. Next, the particles on which the organic layer is formed are reacted with the amine in a solution. The amines used are primary, secondary and tertiary alkyl amines, and the alkyl group may have a size of 1 to 20 carbon atoms. In this reaction step, the methyl chloride groups of the vinylbenzyl chloride block react with the amine to form an ammonium salt. The block portion in which the ammonium salt is produced while the block copolymers surround the surface of the particle interacts with the inorganic nanoparticle surface to form an inner layer and a styrene nonpolar block is formed thereon. When the formation of the organic layer is completed, the polymer organic layer which is stably formed even after washing and drying and is uniformly coated with a thickness of 3 to 7 nm can be directly observed with a transmission electron microscope.

이상의 과정으로 본 발명에서 유기층이 코팅된 무기나노입자를 제조할 수 있으며, 상기 입자는 일반적으로 무기입자가 안정적으로 분산되기 어려운 유기용매와 고분자 매트릭스에도 충분히 분산되고 시간이 경과되어도 분산상태가 유지되는 결과를 보인다. 이 때 분산에 사용되는 용매는 클로로포름, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 테트라클로로메탄, 톨루엔, 벤젠 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 특히 극성이 매우 낮아 일반적인 유화제 혹은 고분자 분산제로부터 충분히 분산시키기 어려운 하이드로 카본류로서 헥산, 헵탄, 옥탄, 도데칸 등도 사용할 수 있다. 본 발명에서 제공하는 유기층이 코팅된 무기나노입자는 또한 고분자 매트릭스로서 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트 등에 적 용이 가능하고, 이들 고분자물질을 용매에 녹여 분산 혼합 후 건조하는 방법과 각 고분자 물질의 모노머 상태에서 입자와 혼합 후 중합을 진행하여 고분자 매트릭스를 형성하는 방법 모두 가능하다. In the above process, the inorganic nanoparticles coated with the organic layer may be manufactured in the present invention, and the particles are generally sufficiently dispersed in an organic solvent and a polymer matrix in which inorganic particles are difficult to stably be dispersed, and the dispersion state is maintained even after elapse of time. Shows the result. In this case, as the solvent used for the dispersion, chloroform, dichloromethane, dichloroethane, tetrachloromethane, toluene, benzene, tetrahydrofuran and the like can be used. In particular, hexane, heptane, octane, dodecane and the like can be used as the hydrocarbons having a very low polarity and are hard to be sufficiently dispersed from a general emulsifier or a polymer dispersant. Inorganic nanoparticles coated with an organic layer provided in the present invention can also be applied to polystyrene, polyethylene, polycarbonate, polyacrylate, etc. as a polymer matrix, and those polymer materials are dissolved in a solvent, dispersed and mixed, and dried, and each polymer material. In the monomer state of the mixed with the particles and then proceed with the polymerization to form a polymer matrix are all possible.

또한 본 발명에서 제공되는 무기나노입자는 안정한 수 나노미터에 해당하는 고분자 층을 형성하고 있기 때문에 용매가 없는 상태에서 이들 입자는 서로 바인딩하여 결합되는 성질을 나타낼 수 있다. 이러한 블록공중합체의 이중층으로 형성되는 유기층의 작용은 무기나노입자가 코팅된 후에도 폴리스티렌 고유의 유리전이온도를 보이는 결과에서 잘 확인할 수 있다. In addition, since the inorganic nanoparticles provided in the present invention form a stable polymer layer corresponding to several nanometers, in the absence of a solvent, these particles may exhibit binding properties to each other. The action of the organic layer formed of the double layer of the block copolymer can be well confirmed from the results showing the glass transition temperature inherent in polystyrene even after the inorganic nanoparticles are coated.

본 발명에 의해 제조된 무기나노입자는 1 ~ 10 nm 의 코팅 두께를 가지며, 바람직하게는 3 ~ 7 nm 의 코팅 두께를 가진다.Inorganic nanoparticles prepared by the present invention has a coating thickness of 1 to 10 nm, preferably has a coating thickness of 3 to 7 nm.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예 1Example 1

테트라하이드로퓨란 100 mL에 UV-오존 처리된 바륨 타이타네이트(barium titanate(BaTiO3), 평균입자 크기 75 nm) 5g과 소디움 하이드라이드 0.5 g을 분산시키고 상온, 질소하에서 8시간 교반한다. 폴리스티렌 블록은 분자량 7000, 폴리비닐벤질클로라이드 블록은 분자량 7500이고 스티렌과 비닐벤질클로라이드 몰 수 비는 3:1인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 10 g을 용해한 테트라하이드로퓨란 50 mL를 상기 반응물에 넣고 80 oC, 24시간 동안 교반하여 반응시킨다. 원심분리하여 표면 처리된 입자를 분리하고 테트라하이드로퓨란으로 세척한 후 48시간동안 진공 건조한다. 톨루엔 100 mL 에 준비된 입자를 분산시켜 교반하면서 트리에틸아민 20 mL를 적가하고 상온에서 48시간 교반하며 반응시킨다. 감압하여 미반응 트리에틸아민과 톨루엔을 제거하고 세척 후 진공 건조한다. Barium titanate (BaTiO 3 ), UV-ozone treated with 100 mL of tetrahydrofuran, 5 g of the average particle size 75 nm) and 0.5 g of sodium hydride are dispersed and stirred at room temperature under nitrogen for 8 hours. 50 mL of tetrahydrofuran dissolved in 10 g of poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) having a molecular weight of 7000 and a polyvinylbenzylchloride block having a molecular weight of 7500 and a mole ratio of styrene to vinylbenzylchloride 3: 1 was reacted. To 80 ° C, stirred for 24 hours to react. The surface treated particles are separated by centrifugation, washed with tetrahydrofuran and vacuum dried for 48 hours. 20 mL of triethylamine is added dropwise while stirring and dispersing the prepared particles in 100 mL of toluene and reacting with stirring at room temperature for 48 hours. Under reduced pressure, unreacted triethylamine and toluene were removed, washed and dried in vacuo.

제조된 입자는 투과전자현미경으로 유기코팅층의 두께를 관찰하고, 열질량분석으로 유기물질의 함량을 정량한다. 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 옥탄 용액에 분산시켜 분산성을 조사하여 표 1에 나타내었다. The prepared particles were observed the thickness of the organic coating layer by transmission electron microscope, and the content of the organic material was quantified by thermal mass spectrometry. Table 1 shows the dispersibility by dispersing in toluene, tetrahydrofuran and octane solution.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리스티렌 블록은 분자량 15000, 폴리비닐벤질클로라이드 블록은 분자량 12000이고 스티렌과 비닐벤질클로라이드 몰 수 비는 3:1인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)를 블록공중합체로 사용하여 유기코팅된 입자를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, except that the polystyrene block has a molecular weight of 15000, the polyvinylbenzyl chloride block has a molecular weight of 12000, and the styrene-vinylbenzylchloride molar ratio of 3: 1 blocks poly (styrene- b -vinylbenzylchloride). Organically coated particles were prepared using the copolymer.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 바륨 타이타네이트 입자 대신 티타늄 옥사이드 (평균 입자 크기 50 nm) 입자를 사용하여 유기코팅된 입자를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, organic coated particles were prepared using titanium oxide (average particle size 50 nm) particles instead of barium titanate particles.

실시예Example 4 4

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 바륨 타이타네이트 입자 대신 실리카 (평균 입자 크기 55 nm) 입자를 사용하여 유기코팅된 입자를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, organic coated particles were prepared using silica (average particle size 55 nm) particles instead of barium titanate particles.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 블록공중합체 대신하여 스티렌과 비닐벤질클로라이드가 랜덤 공중합되며, 스티렌과 비닐벤질클로라이드 몰 수 비가 4:1이고 분자량이 14000인 폴리(스티렌-co-비닐벤질클로라이드)를 사용하여 유기코팅된 입자를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, styrene and vinyl benzyl chloride is randomly copolymerized in place of the poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) block copolymer, the mole ratio of styrene and vinyl benzyl chloride is 4: 1 and the molecular weight is 14000. Organic coated particles were prepared using phosphorus poly (styrene- co -vinylbenzylchloride).

비교예Comparative example 2 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 2단계의 아민처리 부분을 생략하여 입자를 제조하였다. 즉 테트라하이드로퓨란 100 mL에 UV-오존 처리된 바륨 타이타네이트 (BaTiO3, 평균입자 크기 75 nm) 5g 과 소디움 하이드라이드 0.5 g을 분산시키고 상온, 질소하에서 8시간 교반한다. 폴리스티렌 블록은 분자량 7000, 폴리비닐벤질클로라이드 블록은 분자량 7500이고 스티렌과 비닐벤질클로라이드 몰 수 비는 3:1인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 10 g을 용해한 테트라하이드로퓨란 50 mL를 상기 반응물에 넣고 80 oC 24시간 동안 교반하여 반응시킨다. 원심분리하여 표면 처리된 입자를 분리하고 테트라하이드로퓨란으로 세척한 후 48시간동안 진공 건조한다. The same procedure as in Example 1 was carried out, but the particles were prepared by omitting the amine treatment part of the second step. That is, barium titanate (BaTiO 3 , UV-ozone treated with 100 mL of tetrahydrofuran) 5 g of the average particle size) and 0.5 g of sodium hydride are dispersed and stirred at room temperature and under nitrogen for 8 hours. 50 mL of tetrahydrofuran dissolved in 10 g of poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) having a molecular weight of 7000 and a polyvinylbenzylchloride block having a molecular weight of 7500 and a mole ratio of styrene to vinylbenzylchloride 3: 1 was reacted. And reacted by stirring at 80 o C for 24 hours. The surface treated particles are separated by centrifugation, washed with tetrahydrofuran and vacuum dried for 48 hours.

비교예Comparative example 3 3

톨루엔 100 mL에 UV-오존 처리된 바륨 타이타네이트(BaTiO3, 평균입자 크기 75 nm) 5g 을 분산시키고, 폴리스티렌 블록은 분자량 7000, 폴리비닐벤질클로라이드 블록은 분자량 7500이고 스티렌과 비닐벤질클로라이드 몰 수 비는 3:1인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드) 10 g을 용해한 톨루엔 용액 50 mL를 상기 반응물에 넣고 트리에틸아민 20 mL를 적가하고 상온에서 48시간 교반하며 반응시킨다. 원심분리하여 입자를 분리하고 감압하여 미반응 트리에틸아민과 톨루엔을 제거하고 세척 후 진공 건조한다. UV-ozone treated barium titanate (BaTiO 3 , 100 mL toluene) 5 g of average particle size 75 nm) were dispersed, the polystyrene block had a molecular weight of 7000, the polyvinylbenzylchloride block had a molecular weight of 7500, and the mole ratio of styrene to vinylbenzylchloride was 3: 1 poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) 10 50 mL of a solution of toluene dissolved therein was added to the reaction product, and 20 mL of triethylamine was added dropwise, followed by reaction at room temperature for 48 hours. The particles are separated by centrifugation and depressurized to remove unreacted triethylamine and toluene, washed and dried in vacuo.

비교예Comparative example 4 4

테트라하이드로퓨란 100 mL에 UV-오존 처리된 바륨 타이타네이트(BaTiO3, 평균입자 크기 75 nm) 5g 을 분산시키고, 폴리(비닐피롤리돈) (분자량 22000) 10 g을 용해한 테트라하이드로퓨란 용액 50 mL를 상기 반응물에 넣고 상온에서 48시간 교반한다. 원심분리하여 입자를 분리하고 세척 후 진공 건조한다. Tetrahydrofuran solution 50 containing 5 g of UV-ozone treated barium titanate (BaTiO 3 , average particle size 75 nm) in 100 mL of tetrahydrofuran, and dissolving 10 g of poly (vinylpyrrolidone) (molecular weight 22000). Add mL to the reaction and stir at room temperature for 48 hours. The particles are separated by centrifugation, washed and dried in vacuo.

실험예Experimental Example 1 One

상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 4에서 제조된 입자의 유기용매에 대한 분 산성질을 확인하는 실험을 수행하였다. 제조된 각각의 입자를 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 옥탄에 분산시키고 분산된 입자의 크기를 동적 광산란 장치로 확인하였으며, 투과전자현미경으로 코팅된 유기고분자 층을 확인하였다.Experiments were performed to determine the dispersoids of the organic solvents of the particles prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. The prepared particles were dispersed in tetrahydrofuran, toluene and octane, and the size of the dispersed particles was confirmed by a dynamic light scattering device, and the organic polymer layer coated with a transmission electron microscope was confirmed.

고분자 매트릭스에 대한 분산성은 각각의 입자를 스티렌 모노머와 AIBN에 3wt% 비율로 넣고 분산 후, 100 oC에서 24시간 교반하면서 중합을 진행하였다. 형성된 고분자 매트릭스를 얇은 절편으로 만들어 투과전자현미경으로 입자의 분포를 확인하였다. Dispersibility for the polymer matrix was added to the styrene monomer and AIBN in 3wt% ratio, and then dispersed, and the polymerization proceeded with stirring at 100 ° C. for 24 hours. The formed polymer matrix was made into thin sections, and the distribution of particles was confirmed by transmission electron microscope.

구분division 유기고분자Organic polymer 무기
입자
weapon
particle
코팅
두께
coating
thickness
분산성
(입자평균 RH)
Dispersibility
(Particle average R H )
테트라하이드로퓨란Tetrahydrofuran 톨루엔toluene 옥탄octane 폴리스티렌polystyrene 실시예 1Example 1 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 7000/7500
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 7000/7500
BaTiO3 BaTiO 3 5 nm5 nm 좋음
(110nm)
good
(110 nm)
좋음
(120nm)
good
(120nm)
좋음
(180nm)
good
(180 nm)
좋음good
실시예 2Example 2 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 15000/12000
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 15000/12000
BaTiO3 BaTiO 3 7 nm7 nm 좋음
(108nm)
good
(108nm)
좋음
(122nm)
good
(122nm)
좋음
(150nm)
good
(150nm)
좋음good
실시예 3Example 3 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 7000/7500
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 7000/7500
TiO2 TiO 2 5 nm5 nm 좋음
(70nm)
good
(70 nm)
좋음
(88nm)
good
(88nm)
좋음
(75nm)
good
(75nm)
좋음good
실시예 4Example 4 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 7000/7500
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 7000/7500
SiO2 SiO 2 4 nm4 nm 좋음
(68nm)
good
(68 nm)
좋음
(90nm)
good
(90nm)
좋음
(127nm)
good
(127nm)
좋음good
비교예 1Comparative Example 1 폴리(스티렌-co-비닐벤질클로라이드)
랜덤공중합체
분자량 14000
Poly (styrene-co-vinylbenzylchloride)
Random copolymer
Molecular Weight 14000
BaTiO3 BaTiO 3 3 nm3 nm 좋음
(98nm)
good
(98nm)
침전Sedimentation 침전Sedimentation 뭉침Bunch
비교예 2Comparative Example 2 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 7000/7500
(암모늄화 생략)
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 7000/7500
(Omitted ammonium)
BaTiO3 BaTiO 3 -- 분산성 나쁨
(부분침전)
Poor dispersion
(Partial sedimentation)
침전Sedimentation 침전Sedimentation --
비교예 3Comparative Example 3 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)
블록공중합체
분자량 7000/7500
(표면 반응 생략)
Poly (styrene-b-vinylbenzylchloride)
Block copolymer
Molecular Weight 7000/7500
(Omit surface reaction)
BaTiO3 BaTiO 3 -- 침전Sedimentation 침전Sedimentation 침전Sedimentation --
비교예 4Comparative Example 4 폴리(비닐피롤리돈)
분자량 22000
Poly (vinylpyrrolidone)
Molecular Weight 22000
BaTiO3 BaTiO 3 -- 분산성
나쁨
(부분침전)
Dispersibility
Bad
(Partial sedimentation)
침전Sedimentation 침전Sedimentation 뭉침Bunch

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 4의 고분자 유기층이 코팅된 입자는 예시한 유기용매 및 폴리스티렌 매트릭스에서도 우수한 분산성을 보였다. 이러한 분산성은 바륨 타이타네이트 입자 이외에도 티타튬 옥사이드, 실리카 입자에서도 큰 특성의 변화없이 나타났다. 실시예 2에서 예시한 바와 같이 블록공중합체의 분자량 변화도 분산성에 영향을 주지 않는 결과를 나타내었다. 투과주사전자현미경을 통해 확인되는 코팅층의 두께는 4 ~ 7 nm 범위의 균일한 두께를 보였으며, 건조와 용액세척 등의 처리를 거친 후에도 완벽한 형태로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, the particles coated with the polymer organic layers of Examples 1 to 4 according to the present invention showed excellent dispersibility in the illustrated organic solvent and the polystyrene matrix. In addition to the barium titanate particles, such dispersibility was also observed without significant change in titanium oxide and silica particles. As illustrated in Example 2, the change in molecular weight of the block copolymer did not affect the dispersibility. The thickness of the coating layer confirmed through the transmission scanning electron microscope showed a uniform thickness in the range of 4 to 7 nm, and it was confirmed that the coating layer was maintained in a perfect form even after the treatment such as drying and washing the solution.

반면 블록공중합체 대신 랜덤공중합체를 이용하여 동일한 처리 과정을 통해 제조된 유기고분자가 코팅된 무기나노분자의 경우, 그 분산특성이 현저히 감소하여 테트라하이드로퓨란에서만 좋은 분산성을 보이며 옥탄과 톨루엔에서는 전혀 분산이 되지 못하고 침전이 형성됨을 확인할 수 있었다. 아울러 고분자 매트릭스에서도 입자끼리 뭉쳐진 형태로 나타나는 결과를 보였다. 이 경우 고분자코팅층은 그 두께가 다소 줄어든 3 nm정도를 나타내었다. On the other hand, inorganic nano-molecules coated with organic polymers prepared by the same process using random copolymers instead of block copolymers have significantly reduced dispersibility, showing good dispersibility only in tetrahydrofuran, but not in octane and toluene. It could be confirmed that precipitation was not achieved and precipitation was formed. In addition, the polymer matrix also showed the results of agglomerated particles. In this case, the polymer coating layer exhibited a thickness of about 3 nm.

블록공중합체의 코팅층을 형성하는 각 단계도 최종 코팅층 특성에 중요하게 작용함을 비교예 2와 3의 결과에서 확인할 수 있었다. 즉 1단계의 표면 반응 단계와 2단계의 암모늄화 단계가 각각 생략되면 충분한 코팅이 이루어지지 않아 일정한 두께를 갖는 코팅층을 관찰할 수 없으며, 유기용매에 대한 분산성도 나타나지 않아다. 일반적인 고분자 유화제인 폴리비닐피롤리돈을 사용한 코팅에서도 안정한 코팅층과 분산 효과를 얻지 못하였다. It was confirmed in the results of Comparative Examples 2 and 3 that each step of forming the coating layer of the block copolymer also plays an important role in the final coating layer properties. That is, if the surface reaction step of step 1 and the ammoniumation step of step 2 are omitted, the coating layer having a constant thickness cannot be observed due to insufficient coating, and the dispersibility to the organic solvent does not appear. Even coating with polyvinylpyrrolidone, which is a general polymer emulsifier, did not obtain a stable coating layer and dispersion effect.

상기의 결과로부터 블록공중합체를 이용하여 1,2 단계로 이루어지는 코팅 방법에 의해 무기나노입자의 표면에 안정하고 분산성이 우수한 유기고분자 코팅층을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다. From the above results, it can be seen that the organic polymer coating layer that is stable and excellent in dispersibility can be formed on the surface of the inorganic nanoparticles by the coating method consisting of 1,2 steps using the block copolymer.

도 1은 본 발명에 따라 실시예 1에서 제조된 유기고분자층이 코팅된 BaTiO3 입자의 투과전자현미경 사진이다.1 is BaTiO 3 coated with an organic polymer layer prepared in Example 1 according to the present invention Transmission electron micrograph of the particle.

Claims (9)

UV-오존 처리를 한 후에, LiH, NaH, KH 및 탄소수 1 ~ 10의 알킬리튬 중에서 선택된 염기로 처리한 무기나노입자 표면을 블록공중합체인 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)와 반응시키는 1단계; 및 After the UV-ozone treatment, the first step of reacting the surface of the inorganic nanoparticles treated with a base selected from LiH, NaH, KH and alkyl lithium having 1 to 10 carbon atoms with poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) as a block copolymer ; And 상기 1단계 반응물에 아민을 첨가하여, 무기나노입자 표면에 비닐벤질암모늄염 블록과 폴리스티렌 블록의 이중층을 형성하는 2단계The second step of forming a double layer of a vinyl benzyl ammonium salt block and a polystyrene block on the surface of the inorganic nanoparticles by adding an amine to the first step reactant 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기고분자가 코팅된 무기나노입자의 제조방법.Organic polymer coated inorganic nanoparticles manufacturing method characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)는 스티렌 블록과 비닐벤질클로라이드 블록의 분자량이 각각 2000 ~ 50000 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제조방법. The method of claim 1, wherein the poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) has a molecular weight of styrene blocks and vinylbenzylchloride blocks in the range of 2000 to 50000, respectively. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)는 스티렌에 대한 비닐벤질클로라이드의 몰 수 비가 0.1 ~ 80 % 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) has a molar ratio of vinylbenzylchloride to styrene in the range of 0.1 to 80%. 제 1 항에 있어서, 상기 무기나노입자는 다음 화학식 1로 표시되는 화합물로 입자크기 3 ~ 200 nm 범위의 나노입자인 것을 특징으로 하는 제조방법 :The method according to claim 1, wherein the inorganic nanoparticles are compounds represented by the following Chemical Formula 1, wherein the inorganic nanoparticles are nanoparticles having a particle size in the range of 3 to 200 nm. [화학식 1][Formula 1] MmLnOl M m L n O l 상기 화학식 1에서, M은 주기율표 1A ~ 4A 원소 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 전형 금속이고, L은 전이금속 및 란타나이드 금속 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 원소이며, m은 0 ~ 4의 정수, n은 0 ~ 4의 정수이며 l은 1 ~ 8의 정수를 나타내고, 단 m과 n은 동시에 0이 되지 아니한다. In Formula 1, M is one or two or more typical metals selected from elements 1A to 4A of the periodic table, L is one or two or more metal elements selected from transition metals and lanthanide metals, and m is 0 to 4 An integer, n is an integer from 0 to 4, l represents an integer from 1 to 8, provided that m and n are not 0 at the same time. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 아민은 탄소수 1 ~ 20의 1차, 2차 및 3차 알킬아민중에서 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the amine is selected from primary, secondary and tertiary alkylamines having 1 to 20 carbon atoms. 제 1 항에 있어서, 상기 1단계 과정 후 무기나노입자의 표면에 잔류하는 폴리(스티렌-b-비닐벤질클로라이드)의 함량을 무기나노입자에 대하여 10 ~ 50 중량%로 조절하는 세척단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, further comprising a washing step of controlling the content of poly (styrene- b -vinylbenzylchloride) remaining on the surface of the inorganic nanoparticles after the step 1 to 10 to 50% by weight relative to the inorganic nanoparticles. Manufacturing method characterized in that. 제 1 항에 있어서, 상기 무기나노입자 표면에 코팅된 유기고분자의 코팅 두께가 1 ~ 10 nm 범위인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the coating thickness of the organic polymer coated on the surface of the inorganic nanoparticles is in the range of 1 to 10 nm. 삭제delete
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